Curtiss-Wright X-100

Au début des années 50, la filiale « Curtiss Propeller Division » de Curtiss-Wright était bien consciente que
les hélices allait devenir une activité bien moins importante en raison de l’avènement de l’ère des jets.

L’activité en matière d’hélice ne pourrait fournir suffisamment de travail aux trois grands industriels US de l’hélice
(Curtiss, Hamilton et Aeroproducts) et Curtiss cherchait donc de nouveaux domaines de diversification.

Curtiss avait manqué le train du turboréacteur et du statoréacteur (par exemple, la firme n’avait pu mettre au point
un combiné turbo-stato d’avant garde pour le [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]) et n’était pas plus parvenu à décrocher de contrat de production pour son unique jet, le [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien].

La firme se diversifia donc dans d’autres domaines, comme les vérins de commande des surfaces mobiles de voilure
(par exemple, des vérins pour les saumons inclinables du North American XB-70 ou plus bien tard des vérins pour le Grumman F-14).

La firme se lança aussi dans l’aventure des avions à décollage et atterrissage vertical (ADAV ou VTOL en Anglais)
vers la fin des années 50 avec le démonstrateur X-100 et le prototype X-19, tous deux développés dans une nouvelle division, la « Curtiss-Wright VTOL System Division » dirigé par Joe Mergen.

Pour ces appareils appartenant à la famille VTOL des « Tilt-Prop », Curtiss s’appuya sur un concept de portance appelé « radial lift force » qu’on pourrait traduire en Français par « force de portance radiale ».

Ce concept consiste à générer une poussée perpendiculaire au flux d'air incident sur une hélice et qui augmente au fur et à mesure que l'angle d'attaque de l’appareil, ou de l’hélice pour le X-100, augmente ce qui permet d’utiliser une aile de faible surface alaire en vol horizontal.

En fait, ce phénomène n’est pas du tout une nouveauté mais un inconvénient bien connu des concepteurs d’appareils
à hélice tractive car il affecte la stabilité des appareils, surtout ceux de forte puissance, et avait été un problème majeur pour le [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien].

Cette force radiale apparaît quand le disque de l’hélice n’est pas strictement perpendiculaire au flux d’air incident et, dans ce cas, une partie de l’air incidente est dévié vers le bas ce qui produit une poussée vers le bas et une inclinaison de l’appareil vers le haut.

Evidemment, dans le cas d’un appareil classique cette poussée parasite est un facteur de déstabilisation et une perte
de rendement pour la propulsion.

De plus, cette force peut se diriger vers la droite ou la gauche, ce qui donne aussi une déstabilisation en roulis.

L’importance de cette poussée radiale peut être minimisée ou maximisée en donnant un design particulier aux pales d’hélices.

Au début des années 50, l’ingénieur en chef « structure » de Curtiss, Foster Stulen, peut-être influencé
par les travaux allemands de Focke-Wulfe sur le [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien] qui utilisait le même phénomène en l'absence de voilure
conventionnelle, envisagea d’utiliser ce phénomène d’une manière positive pour propulser un missile de croisière très longue portée (hors d’atteinte à cette époque avec turboréacteur ou moteur fusée) avec un turbomoteur actionnant une hélice propulsive dans la queue et une tractive dans le nez.

Ce missile était dépourvu de voilure et on comptait utiliser la force radiale des hélices pour procurer la portance.

Ce missile ne fut, bien sur, jamais construit et est la seule référence connue d’un missile à hélice !

Après des études conduites sous la direction du chef aérodynamicien de Curtiss Henry Borst, les ingénieurs constatent
que le principal problème pour un VTOL « Tilt-Rotor » est la transition du vol vertical au vol horizontal.

Sur la base des calculs de Foster Stulen, Hank décide d’utiliser la « radial lift force » pour minimiser l’instabilité se produisant pendant la transition et démontre à Joe Mergen la possibilité d’un VTOL utilisant ce principe à l’aide d’une
maquette en balsa.

La direction de Curtiss-Wright autorise alors l’étude d’appareils de démonstration utilisant ce phénomène.

Le Curtiss-Wright X-100 était donc un programme de recherche pour démontrer le concept de « radial lift force » destiné au Curtiss-Wright M-200, devenu par la suite le X-19.

En tant que tels, le X-100 avait deux buts. On devait examiner la pertinence de la « radial lift force » et valider les nacelles propulsives basculantes requises pour un appareil utilisant ce concept de sustentation.

L'autre but était de mettre au point les hélices spéciales nécessaires pour générer la « radial lift force ».

Le X-100 fut un programme réussi dans la mesure ou il a permis de vérifier les caractéristiques de la propulsion, de fournir des données sur le bruit, les vibrations, l’effet de sol, la stabilité, le contrôle de vol et les techniques de pilotage adéquates pour réaliser les transitions avec un VTOL de formule « Tilt Prop ».

Le fuselage était construit en aluminium excepté la moitié arrière à partir de l'habitacle, qui était une structure tubulaire entoilée.

La conception et la fabrication fut réalisé en seulement un an grâce à la réutilisation d’un grand nombre de sous-ensembles récupérés sur d’autres appareils.

La configuration de base du X-100 était un appareil à aile haute, empennage en T et train d'atterrissage conventionnel.

Le fuselage était une structure tubulaire soudée de 8.6 mètres de longueur.

L'aile avait une envergure de seulement 4.9 mètres et une surface alaire de 2.1 m2 ce qui donnait une charge alaire « apparente » très élevée de 560 kg/m2. Cette valeur de charge alaire était intentionnelle de manière à démontrer la poussée générée par la « radial lift force ».

Une hélice à trois pales, de 3 mètres de diamètre, était montée sur une nacelle pivotante sur chaque saumon, et les deux hélices tournaient en sens inverse pour contrer le couple de rotation.

La masse brute était de 1580 kg. L'habitacle était de type biplace côte à côte.

Une entrée d’air rectangulaire était montée juste derrière l'habitacle sur le dessus du fuselage.

La dérive en T, avec une surface de 2.1 m2, était choisie pour garder le stabilisateur horizontal hors du sillage
des hélices, donnant au X-100 une hauteur hors-tout de 3.28 mètres.

Pour contrôler le tangage et le lacet en vol sustenté, les gaz d’échappement moteur était canalisés vers l'arrière
du fuselage et pourrait d'être dirigé vers le haut ou vers le bas, à gauche ou à droite par un dispositif appelé « jetivator ».

Ce dispositif était choisi pour sa simplicité et pour réduire la masse à vide de l’appareil.

Ce « jetivator » pouvait produire 63 kg de poussée pour contrôler le tangage et 18 kg pour contrôler le lacet.

Le contrôle en roulis pendant le vol sustenté était fourni par la variation de la puissance des hélices (avec la variation différentielle du pas des hélices). Le contrôle de l'altitude était évidemment fait avec la puissance moteur.

Le X-100 avait à l'origine un train d'atterrissage conventionnel très rigide récupéré sur un Cessna. Par la suite, ce train fut remplacé par un plus souple pour améliorer des caractéristiques d'atterrissage.

Les hélices étaient en plastique moulée sur un noyau en métal et recouverte d’un élastomère uréthane.

Les pales étaient très larges et très torsader pour maximiser la « radial lift force ».

La vitesse en bout de pale de 200 m/s, valeur relativement faible, en vol sustenté réduisait le bruit au maximum.

Les nacelles pouvaient pivoter de la position verticale jusqu à 12 degrés au-dessus de l'horizontal.

Elles pivotaient à la vitesse de 2 degrés par seconde pour permettre au pilote d'ajuster la puissance et l'attitude pendant la transition vers le vol de croisière.

Pour la transition du vol de croisière vers le vol vertical elles pivotaient à 5 degrés par seconde.

Suivant sa philosophie qui était de garder la maîtrise d’œuvre sur tous les systèmes principaux, l’équipe de développement voulait utiliser un moteur Curtiss-Wright.

Cependant, les dirigeants de la firme ne voulaient pas gaspiller de fond propre pour concevoir un nouveau moteur.

A l'origine, les concepteurs avaient envisagé un turbomoteur Turboméca Artouse de 400 chevaux.

Ce moteur fut abandonné en phase de conception en faveur du moteur du Bell UH-1 Huey, le turbomoteur Lycoming YT-53-L1 de 825 chevaux et qui tournait à 6680 tr/min.

Pour augmenter la poussée résiduelle du moteur de façon à alimenter le dispositif « jetavator », la puissance
sur arbre fut réduite à 770 chevaux.

L'US Air Force, qui avait de nombreux moteurs YT-53-L-1 en parc, prêta deux d'entre eux pour le projet X-100.

En échange, Curtiss-Wright avait accepté de rédiger un rapport sur les performances du moteur.

La conception de l’appareil commence en février 1958 sous la direction de Len Wiener.

La première hélice est fabriquée peu après et testée dans la soufflerie de 12m X 24m de la NASA en octobre 1958 sur la plage de fonctionnement prévue de puissance et en faisant pivoter les hélices jusqu’à 90 degrés.

Ces essais démontrèrent que la poussée verticale des hélices était inférieure de 10 % par rapport aux prévisions, mais le moteur était suffisamment puissant pour compenser cette perte.

Des essais préliminaires en soufflerie avec des maquettes motorisés ont également été réalisés au Massachusetts Institute of Technology pour déterminer la stabilité et les caractéristiques de vol.

Des essais avec l'avion réel ont aussi été réalisés par la suite dans la soufflerie de 12m x 24m de la NASA.

Le Roll Out du X-100 a lieu le 22 décembre 1958 à l’usine Curtiss-Wright de Caldwell et les premiers essais moteur le 14 janvier 1959.

Le premier décollage vertical est réalisé le 20 avril 1959 avec le pilote Bill Furlick aux commandes et l’appareil entravé sous un portique pour vérifier la puissance de sustentation et les commandes de vol.

L’appareil réalisera 250 vols sous portique pour vérifier le bon fonctionnement de tous les sous-systèmes.

Le premier essai de vol vertical libre est réalisé le 13 septembre 1959 avec du lest pour empêcher le X-100 de sortir
de l'effet de sol.

Après trois jours d'essai, des vols sustentés de 20 minutes sont réalisés et les ingénieurs constatent que les turbulences générées à proximité de l’appareil en vol vertical étaient semblables à celles d'un hélicoptère de masse semblable.

L’appareil réalisera ainsi 48 vols à basse vitesse avant d’attaquer la difficile étape de la transition.

Cependant le vol vertical était difficile pour plusieurs raisons.

La poussée fournie par le « jetivator » pour contrôler le tangage et le lacet était insuffisante.

De plus, les forces de roulis et de lacet avait tendance à se coupler ensemble.

La puissance du moteur était utilisée pour maintenir l’altitude pendant le vol vertical mais la réponse un peu lente du moteur compliquait le pilotage de l’appareil.

En vol vertical, et quand il y avait des rafales de vent, le X-100 faisait des embardées dangereuses en raison du lacet produit par le vent frappant les hélices.
Le « jetivator » n’était pas assez puissant pour contrer efficacement ce phénomène.